JP7328750B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電池モジュールを直列接続して電力を供給する電源装置に関する。
複数の電池モジュールを直列に接続して、負荷に電力を供給（力行）する電源装置が利用されている。電池モジュールに含まれる電池を二次電池とした場合、負荷側から電池へ充電（回生）を行うこともできる。
このような電源装置において、ゲート駆動信号に基づいて各電池モジュールを負荷に接続したり、切り離したりするスイッチング回路を備えた構成が提案されている。このような回路構成において、遅延回路を介したゲート駆動信号で各電池モジュールのスイッチング回路を駆動させることで電圧制御を行っている（特許文献１）。
特開２０１８－０７４７０９号公報
しかしながら、従来の電源装置では、直列接続される電池モジュールの各々に流れる電流は同じになるので、電池モジュールの性能にばらつきがある状況において電池容量が小さい電池モジュールのＳＯＣが他の電池モジュールのＳＯＣより早く低下してしまうという問題がある。また、電池モジュールのＳＯＣが下限閾値に到達すると、その電池モジュールは使用することができなくなるという問題がある。さらに、使用できなくなった電池モジュールの数が増加すると電源装置自体を停止させなければならない状況になることがあった。
本発明の１つの態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続される電源装置であって、前記ゲート駆動信号に関わらず前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、出力目標電圧値に応じて前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数を制限することを特徴とする電源装置である。
ここで、前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数に応じて、前記出力目標電圧値以上の出力電圧を出力できない場合に出力を停止させることが好適である。
本発明の別の態様は、二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールが相互に直列接続される電源装置であって、前記ゲート駆動信号に関わらず前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数に応じて出力電圧値を制限することを特徴とする電源装置である。
本発明によれば、ゲート駆動信号による制御に対して独立して電池モジュールを強制的に切り離す制御を行うことによって電池モジュールのＳＯＣを調整することができる。また、その際に切り離される電池モジュールの数を適切に制御することができる。
本発明の実施の形態における電源装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における電池モジュールの制御を説明するタイムチャートである。 本発明の実施の形態における電池モジュールの作用を示す図である。 本発明の実施の形態における電源装置の制御を説明するタイムチャートである。 本発明の実施の形態における力行状態における強制切断制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態における回生状態における強制切断制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるＳＯＣの推定方法のフローチャートである。 電池モジュールの特性を示す図である。
本実施の形態における電源装置１００は、図１に示すように、電池モジュール１０２及び制御コントローラ１０４を含んで構成される。電源装置１００は、複数の電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）を含んで構成される。複数の電池モジュール１０２は、制御コントローラ１０４による制御によって互いに直列に接続可能である。電源装置１００に含まれる複数の電池モジュール１０２は、端子Ｔ１及びＴ２に接続される負荷（図示しない）に対して電力を供給（力行）し、又は、端子Ｔ１及びＴ２に接続される電源（図示しない）から電力を充電（回生）することができる。
電池モジュール１０２は、電池１０、チョークコイル１２、コンデンサ１４、第１スイッチ素子１６、第２スイッチ素子１８、ゲート駆動信号処理回路２０、ＡＮＤ素子２２、ＯＲ素子２４及びＮＯＴ素子２６を含んで構成される。本実施の形態において、各電池モジュール１０２は同一の構成を備える。
電池１０は、少なくとも１つの二次電池を含む。電池１０は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を複数直列又は／及び並列接続した構成とすることができる。チョークコイル１２及びコンデンサ１４は、電池１０からの出力を平滑化して出力する平滑回路（ローパスフィルタ回路）を構成する。すなわち、電池１０として二次電池を使用しているので、内部抵抗損失の増加による電池１０の劣化を抑制するため、電池１０、チョークコイル１２及びコンデンサ１４によってＲＬＣフィルタを形成して電流の平準化を図っている。なお、チョークコイル１２及びコンデンサ１４は、必須の構成ではなく、これらを設けなくてもよい。
第１スイッチ素子１６は、電池１０の出力端を短絡するためのスイッチング素子を含む。本実施の形態では、第１スイッチ素子１６は、スイッチング素子である電界効果トランジスタに対して並列に環流ダイオードを接続した構成としている。第２スイッチ素子１８は、電池１０と第１スイッチ素子１６との間において電池１０に直列接続される。本実施の形態では、第２スイッチ素子１８は、スイッチング素子である電界効果トランジスタに対して並列に環流ダイオードを接続した構成としている。第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８は、制御コントローラ１０４からのゲート駆動信号によってスイッチング制御される。なお、本実施の形態では、第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８は、電界効果トランジスタとしたが、これ以外のスイッチング素子を適用してもよい。
ゲート駆動信号処理回路２０は、制御コントローラ１０４の信号生成回路１０４ａから電池モジュール１０２に入力されるゲート駆動信号に基づいて電池モジュール１０２を制御する回路である。ゲート駆動信号処理回路２０は、ゲート駆動信号を所定の時間だけ遅延させる遅延回路を含む。電源装置１００では、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）にそれぞれゲート駆動信号処理回路２０が設けられており、それらが直列接続されている。したがって、制御コントローラ１０４から入力されたゲート駆動信号は所定の時間ずつ遅延させられながら各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）に順次入力されることになる。ゲート駆動信号に基づく制御については後述する。
ＡＮＤ素子２２は、強制切断信号に応じて電池モジュール１０２ａを直列接続状態から強制的に切り離す切断手段を構成する。また、ＯＲ素子２４は、強制接続信号に応じて電池モジュール１０２ａを直列接続状態に強制的に接続する接続手段を構成する。ＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４は、制御コントローラ１０４から強制切断信号又は強制接続信号を受けたゲート駆動信号処理回路２０によって制御される。ＡＮＤ素子２２の一方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路２０からの制御信号が入力され、他方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路２０からのゲート駆動信号が入力される。また、ＯＲ素子２４の一方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路２０からの制御信号が入力され、他方の入力端子にはゲート駆動信号処理回路２０からのゲート駆動信号が入力される。ＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４からの出力信号は、第２スイッチ素子１８のゲート端子に入力される。また、ＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４からの出力信号は、ＮＯＴ素子２６を介して第１スイッチ素子１６のゲート端子に入力される。
通常制御時において、制御コントローラ１０４から強制切断信号又は強制接続信号を受けていないゲート駆動信号処理回路２０は、ＡＮＤ素子２２に対してハイ（Ｈ）レベルの制御信号を入力し、ＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を入力する。したがって、ゲート駆動信号がそのまま第２スイッチ素子１８のゲート端子に入力され、ゲート駆動信号を反転した信号が第１スイッチ素子１６のゲート端子に入力される。これによって、ゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベルのときに第１スイッチ素子１６がオフ状態及び第２スイッチ素子１８がオン状態となり、ゲート駆動信号がロー（Ｌ）レベルのときに第１スイッチ素子１６がオン状態及び第２スイッチ素子１８がオフ状態となる。すなわち、ゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベルのときに電池モジュール１０２は他の電池モジュール１０２と直列に接続された状態となり、ゲート駆動信号がロー（Ｌ）レベルのときに電池モジュール１０２は他の電池モジュール１０２と切り離されたスルー状態となる。
強制切断時においては、制御コントローラ１０４は強制的に切り離す対象となる電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０に対して強制切断信号を送信する。制御コントローラ１０４から強制切断信号を受けとったゲート駆動信号処理回路２０は、ＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を入力し、ＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を入力する。これによって、ＡＮＤ素子２２からはロー（Ｌ）レベルが出力され、ＯＲ素子２４を介して、第１スイッチ素子１６のゲート端子にはＮＯＴ素子２６によってハイ（Ｈ）レベルが入力され、第２スイッチ素子１８のゲート端子にはロー（Ｌ）レベルが入力される。したがって、第１スイッチ素子１６は常時オン状態となり、第２スイッチ素子１８は常時オフ状態とされ、電池モジュール１０２はゲート駆動信号の状態によらず直列接続から強制的に切り離された状態（パススルー状態）となる。
このような強制切断制御は、電源装置１００における電池モジュール１０２のＳＯＣのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しに利用することができる。すなわち、電源装置１００が放電状態にある場合、電源装置１００の出力に関与している電池モジュール１０２のＳＯＣが低下するのに対して、電池モジュール１０２を強制切断状態とすることによって当該電池モジュール１０２のＳＯＣを維持することができる。また、電源装置１００が充電状態にある場合、電源装置１００の充電に関与している電池モジュール１０２のＳＯＣが増加するのに対して、電池モジュール１０２を強制切断状態とすることによって当該電池モジュール１０２のＳＯＣを維持することができる。
強制接続時には、制御コントローラ１０４は強制的に接続する対象となる電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０に対して強制接続信号を送信する。制御コントローラ１０４から強制接続信号を受けとったゲート駆動信号処理回路２０は、電池モジュール１０２のＯＲ素子２４にハイ（Ｈ）レベルの制御信号を入力する。これによって、ＯＲ素子２４からはハイ（Ｈ）レベルが出力され、第１スイッチ素子１６のゲート端子にはＮＯＴ素子２６によってロー（Ｌ）レベルが入力され、第２スイッチ素子１８のゲート端子にはハイ（Ｈ）レベルが入力される。したがって、第１スイッチ素子１６は常時オフ状態となり、第２スイッチ素子１８は常時オン状態とされ、電池モジュール１０２はゲート駆動信号の状態によらず強制的に直列接続に繋がれた状態となる。
このような強制接続制御は、電源装置１００における電池モジュール１０２のＳＯＣのアンバランスを抑制する制御に利用することができる。すなわち、電源装置１００が放電状態にある場合、ゲート駆動信号に応じて断続的に直列接続される電池モジュール１０２のＳＯＣの低下に対して、強制接続状態にされた電池モジュール１０２のＳＯＣをより早く低下させることができる。また、電源装置１００が充電状態にある場合、ゲート駆動信号に応じて断続的に直列接続される電池モジュール１０２のＳＯＣの増加に対して、強制接続状態にされた電池モジュール１０２のＳＯＣをより早く増加させることができる。
なお、本実施の形態における電源装置１００では、ゲート駆動信号処理回路２０によってＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４を制御する構成としたが、制御コントローラ１０４からＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４のいずれか又は両方を直接制御する構成としてもよい。
［通常制御］
以下、電源装置１００の制御について図２を参照して説明する。通常制御時において、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のＡＮＤ素子２２に対してゲート駆動信号処理回路２０からハイ（Ｈ）レベルの制御信号が入力される。また、各電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のＯＲ素子２４に対してゲート駆動信号処理回路２０からロー（Ｌ）レベルの制御信号が入力される。したがって、第１スイッチ素子１６のゲート端子にはゲート駆動信号処理回路２０からの出力信号がＮＯＴ素子２６を介して反転信号として入力され、第２スイッチ素子１８のゲート端子にはゲート駆動信号処理回路２０からの出力信号がそのまま入力される。
図２は、電池モジュール１０２ａの動作に関するタイムチャートを示す。また、図２では、電池モジュール１０２ａを駆動するゲート駆動信号Ｄ１のパルス波形、第１スイッチ素子１６のスイッチング状態を示す矩形波Ｄ２、第２スイッチ素子１８のスイッチング状態を示す矩形波Ｄ３、及び、電池モジュール１０２ａにより出力される電圧Ｖｍｏｄの波形Ｄ４を示している。
電池モジュール１０２ａの初期状態、すなわち、ゲート駆動信号が出力されていない状態では、第１スイッチ素子１６はオン状態、第２スイッチ素子１８はオフ状態である。そして、制御コントローラ１０４からゲート駆動信号が電池モジュール１０２ａに入力されると、電池モジュール１０２ａはＰＷＭ制御によってスイッチング制御される。このスイッチング制御では、第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８とが交互にオン状態／オフ状態にスイッチングされる。
図２に示すように、制御コントローラ１０４からゲート駆動信号Ｄ１が出力されると、このゲート駆動信号Ｄ１に応じて、電池モジュール１０２ａの第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８が駆動される。第１スイッチ素子１６は、ゲート駆動信号Ｄ１の立ち上がりに応じたＮＯＴ素子２６からの信号の立ち下がりによって、オン状態からオフ状態に切り替わる。また、第１スイッチ素子１６は、ゲート駆動信号Ｄ１の立ち下がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、オフ状態からオン状態に切り替わる。
一方、第２スイッチ素子１８は、ゲート駆動信号Ｄ１の立ち上がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、オフ状態からオン状態に切り替わる。また、第２スイッチ素子１８は、ゲート駆動信号Ｄ１の立ち下がりと同時に、オン状態からオフ状態に切り替わる。このように、第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８とは交互にオン状態／オフ状態が切り替わるようにスイッチング制御される。
なお、第１スイッチ素子１６がゲート駆動信号Ｄ１の立ち下がり時に僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて動作することと、第２スイッチ素子１８がゲート駆動信号Ｄ１の立ち上がり時に僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて動作することは、第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８とが同時に動作することを防止するためである。すなわち、第１スイッチ素子１６と第２スイッチ素子１８とが同時にオンして電池が短絡することを防止している。この動作を遅らせているデッドタイムｄｔは、例えば、１００ｎｓに設定しているが、適宜設定することができる。なお、デッドタイムｄｔ中はダイオードを還流し、その還流したダイオードと並列にあるスイッチング素子がオンしたときと同じ状態になる。
このような制御によって、電池モジュール１０２ａは、ゲート駆動信号Ｄ１がオフ時（すなわち、第１スイッチ素子１６がオン、第２スイッチ素子１８がオフ）では、コンデンサ１４が電池モジュール１０２ａの出力端子から切り離される。したがって、出力端子には電池モジュール１０２ａから電圧が出力されない。この状態では、図３（ａ）に示すように、電池モジュール１０２ａの電池１０（コンデンサ１４）がバイパスされたスルー状態となっている。
また、ゲート駆動信号Ｄ１がオン時（すなわち、第１スイッチ素子１６がオフ、第２スイッチ素子１８がオン）では、コンデンサ１４が電池モジュール１０２ａの出力端子に接続される。したがって、出力端子には電池モジュール１０２ａから電圧が出力される。この状態では、図３（ｂ）に示すように、電池モジュール１０２ａにおけるコンデンサ１４を介して電圧Ｖｍｏｄが出力端子に出力されている。
図１に戻り、制御コントローラ１０４による電源装置１００の制御について説明する。制御コントローラ１０４は、電池モジュール１０２の全体を制御する。すなわち、複数の電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎを制御して電源装置１００としての出力電圧を制御する。
制御コントローラ１０４の信号生成回路１０４ａは、各電池モジュール１０２に対して矩形波のゲート駆動信号を出力する。ゲート駆動信号は、電池モジュール１０２ａに含まれるゲート駆動信号処理回路２０、電池モジュール１０２ｂに含まれるゲート駆動信号処理回路２０・・・と順次後段の電池モジュール１０２へと伝達される。すなわち、電源装置１００において直列に接続されている電池モジュール１０２の最上流側から順に所定の遅延時間ずつゲート駆動信号が遅延されて下流側へと伝達される。
通常制御時においては、ＡＮＤ素子２２に対してハイ（Ｈ）レベルの制御信号が入力され、ＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号が入力されているので、各電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０から出力されたゲート駆動信号がそのまま第２スイッチ素子１８のゲート端子に入力され、ゲート駆動信号を反転した信号が第１スイッチ素子１６のゲート端子に入力される。したがって、ゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベルのときに第１スイッチ素子１６がオフ状態及び第２スイッチ素子１８がオン状態となり、ゲート駆動信号がロー（Ｌ）レベルのときに第１スイッチ素子１６がオン状態及び第２スイッチ素子１８がオフ状態となる。
すなわち、ゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベルのときに電池モジュール１０２は他の電池モジュール１０２と直列に接続された状態となり、ゲート駆動信号がロー（Ｌ）レベルのときに電池モジュール１０２は他の電池モジュール１０２と切り離されたスルー状態となる。
図４は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎのうち所定の個数を順次直列に接続して電力を出力する制御シーケンスを示す。図４に示すように、ゲート駆動信号に応じて、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎが、一定の遅延時間を持って上流側から下流側に次々と駆動される。図４において、期間Ｅ１は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの第１スイッチ素子１６がオフ、第２スイッチ素子１８がオンして、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎが出力端子から電圧を出力している状態（接続状態）を示している。また、期間Ｅ２は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの第１スイッチ素子１６がオン、第２スイッチ素子１８がオフして、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎが出力端子から電圧を出力していない状態（スルー状態）を示す。このように、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎは、一定の遅延時間を持って順次駆動される。
図４を参照して、ゲート駆動信号や遅延時間の設定について説明する。ゲート駆動信号の周期Ｔは、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの遅延時間を合計することによって設定される。このため、遅延時間を長くするほどゲート駆動信号の周波数は低周波となる。逆に、遅延時間を短くするほどゲート駆動信号の周波数は高周波となる。また、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間は、電源装置１００に求められる仕様に応じて適宜設定すればよい。
ゲート駆動信号の周期Ｔにおけるオン時比率Ｄ（オンデューティ）、すなわち、周期Ｔに対するゲート駆動信号がハイ（Ｈ）レベルにある時間ＴＯＮの比率は、電源装置１００の出力電圧／電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの合計電圧（電池モジュール１０２の電池電圧×電池モジュール数）により算出される。すなわち、オン時比率Ｄ＝（電源装置１００の出力電圧）／（電池モジュール１０２の電池電圧×電池モジュール１０２の総数）となる。なお、厳密には、デッドタイムｄｔだけオン時比率がずれてしまうので、チョッパ回路で一般的に行われているようにフィードバックまたはフィードフォワードでオン時比率の補正を行うことが好適である。
電源装置１００の出力電圧は、上述したように、電池モジュール１０２の電池電圧に接続状態にある電池モジュール１０２の数を乗算した値によって表される。電源装置１００の出力電圧が、一つの電池モジュール１０２の電池電圧で割り切れる値であれば、電池モジュール１０２がスルー状態から接続状態に切り替わる瞬間に、他の電池モジュール１０２が接続状態からスルー状態に切り替わるので、電池モジュール１０２の全体の出力電圧に変動はない。
しかし、電源装置１００の出力電圧が各電池モジュール１０２の電池電圧で割り切れない値であれば、電源装置１００の出力電圧（全体の出力電圧）が変動する。ただし、このときの変動振幅は１つの電池モジュール分の電圧であり、また、この変動周期は、ゲート駆動信号の周期Ｔ／電池モジュール１０２の総数となる。電池モジュール１０２の総数を多くすることによって、電源装置１００全体の寄生インダクタンスを大きな値とすることができ、この電圧変動はフィルタされて電源装置１００の出力電圧を安定化させることができる。
次に、具体例について説明する。図４において、例えば、電源装置１００としての所望の出力電圧が４００Ｖ、各電池モジュール１０２の電池電圧が１５Ｖ、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ数が４０個、遅延時間が２００ｎｓであるとする。なお、この場合は、電源装置１００の出力電圧（４００Ｖ）が、電池モジュール１０２の電池電圧（１５Ｖ）で割り切れない場合に相当する。
これらの数値に基づくと、ゲート駆動信号の周期Ｔは、遅延時間×電池モジュール総数により算出されるので２００ｎｓ×４０個＝８μｓとなる。したがって、ゲート駆動信号は１２５ｋＨｚ相当の周波数の矩形波とされる。また、ゲート駆動信号のオン時比率Ｄは、電源装置１００の出力電圧／（電池モジュール１０２の電池電圧×電池モジュール１０２の総数）により算出されるので、オン時比率Ｄは、４００Ｖ／（１５Ｖ×４０個）≒０．６７となる。
これらの数値に基づいて、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎを順次駆動すると、電源装置１００として、図４中、矩形波状の出力電圧Ｈ１が得られる。この出力電圧Ｈ１は、３９０Ｖと４０５Ｖとの間で変動する。すなわち、出力電圧Ｈ１は、ゲート駆動信号の周期Ｔ／電池モジュール総数により算出される周期、すなわち８μｓ／４０個＝２００ｎｓ（５ＭＨｚ相当）で変動する。この変動は、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの配線による寄生インダクタンスでフィルタリングされ、電源装置１００全体としては約４００Ｖの出力電圧Ｈ２として出力される。
なお、各電池モジュール１０２のコンデンサ１４には、接続状態の場合に電流が流れ、図４に示すように、コンデンサ電流波形Ｊ１は矩形波になる。また、電池１０とコンデンサ１４はＲＬＣフィルタを形成しているので、電源装置１００にはフィルタリングされて平準化された電流Ｊ２が流れる。このように、全ての電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎにおいて電流波形は一様であり、また、全ての電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎから均等に電流を出力することができる。
以上説明したように、電源装置１００を制御する際、最上流側の電池モジュール１０２ａに出力したゲート駆動信号を、下流側の電池モジュール１０２ｂに一定時間遅延して出力して、さらに、このゲート駆動信号を一定時間遅延して下流側の電池モジュール１０２に順次伝達するので、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎは、一定時間遅延しながら順次電圧をそれぞれ出力する。そして、これらの電圧が合計されることによって、電源装置１００としての電圧が出力される。これにより、電源装置１００から所望の電圧を出力させることができる。
電源装置１００によれば、昇圧回路が不要になり、電源回路の構成を簡素化することができる。また、電源装置１００を、小型化、低コスト化することができる。また、電力損失を生ずるバランス回路等も不要であり、電源装置１００の効率を向上させることができる。さらに、複数の電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎから略均等に電圧を出力しているので、特定の電池モジュール１０２に駆動が集中することもなく、電源装置１００の内部抵抗損失を低減することができる。
また、オン時比率Ｄを調整することによって、所望の電圧に容易に対応することができ、電源装置１００としての汎用性を向上することができる。特に、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎに故障が発生して、使用困難な電池モジュール１０２が発生した場合でも、その故障した電池モジュール１０２を除外して、正常な電池モジュール１０２を使用して、ゲート駆動信号の周期Ｔ、オン時比率Ｄ、遅延時間を再設定することによって、所望の電圧を得ることができる。すなわち、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎに故障が発生しても所望の電圧の出力を継続することができる。
さらに、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を長く設定することによって、ゲート駆動信号の周波数が低周波になるので、第１スイッチ素子１６及び第２スイッチ素子１８のスイッチング周波数も低くなり、スイッチング損失を低減することができ、電力変換効率を向上することができる。逆に、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を短くすることによって、ゲート駆動信号の周波数が高周波になるので、電圧変動の周波数が高くなり、フィルタリングが容易になって、安定した電圧を得ることができる。また、電流変動をＲＬＣフィルタによって平準化することも容易になる。このように、ゲート駆動信号を遅延する遅延時間を調整することによって、求められる仕様、性能に応じた電源装置１００を提供することができる。
なお、本実施の形態では、各電池モジュール１０２にゲート駆動信号処理回路２０を設けてゲート駆動信号を遅延させつつ伝送させる構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、各電池モジュール１０２にゲート駆動信号処理回路２０を設けない構成としてもよい。この場合、制御コントローラ１０４から各電池モジュール１０２のＡＮＤ素子２２及びＯＲ素子２４に対してゲート駆動信号を個別に出力すればよい。すなわち、制御コントローラ１０４から電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎに対してゲート駆動信号を一定時間毎にそれぞれ出力する。このとき、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎに対して、電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎの配置位置にとらわれず、任意の順序で電池モジュール１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎを一定時間毎にゲート駆動信号を出力して接続状態とする電池モジュール１０２の数を制御する。例えば、最初に、電池モジュール１０２ｂにゲート駆動信号を出力して電池モジュール１０２ｂを駆動させ、その一定時間後に、電池モジュール１０２ａにゲート駆動信号を出力して電池モジュール１０２ａを駆動させるように制御を行えばよい。
当該構成とすることによって、ゲート駆動信号処理回路２０が不要となり、電源装置１００の構成をさらに簡素化することができ、製造コストや消費電力を抑制することができる。
［強制切り離し制御］
次に、複数の電池モジュール１０２（１０２ａ，１０２ｂ，・・・１０２ｎ）のうち選択されたものを強制的に切り離す制御について説明する。制御コントローラ１０４は、強制的に切り離す対象とする電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０に対して強制切断信号を出力する。強制切断信号を受信したゲート駆動信号処理回路２０は、自己の電池モジュール１０２に属するＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力し、ＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力する。これによって、ＡＮＤ素子２２からはロー（Ｌ）レベルが出力され、ＯＲ素子２４を介して、第１スイッチ素子１６のゲート端子にはＮＯＴ素子２６によってハイ（Ｈ）レベルが入力され、第２スイッチ素子１８のゲート端子にはロー（Ｌ）レベルが入力される。したがって、第１スイッチ素子１６は常時オン状態となり、第２スイッチ素子１８は常時オフ状態とされ、該当する電池モジュール１０２はゲート駆動信号の状態によらず強制的に切り離された状態（パススルー状態）となる。
このような強制切り離し制御は、電源装置１００における電池モジュール１０２のＳＯＣのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しに利用することができる。図５は、ＳＯＣのバランス調整制御のフローチャートを示す。以下、図５を参照しつつ、力行時における電池モジュール１０２のＳＯＣのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しについて説明する。
ステップＳ１０では、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する。制御コントローラ１０４の電池動作監視回路１０４ｃは、各電池モジュール１０２に設けられて電池モジュール１０２の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３０、電源装置１００の出力電流を検出して出力する電流センサ３２及び電源装置１００の出力電圧を検出して出力する電圧センサ３４からの出力を受信する。ＳＯＣ制御値算出回路１０４ｂは、受信されたデータに基づいて各電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する処理を行う。ＳＯＣ制御値算出回路１０４ｂは、推定された各電池モジュール１０２のＳＯＣに基づいて電源装置１００におけるＳＯＣの目標値であるＳＯＣ制御目標値を設定する。ＳＯＣの推定処理及びＳＯＣ制御目標値の設定処理については後述する。
ステップＳ１２では、各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、相対的にＳＯＣが低い電池モジュール１０２を選択する。制御コントローラ１０４は、ステップＳ１０にて推定された各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、すべての電池モジュール１０２の中から相対的にＳＯＣが低い電池モジュール１０２を選択する。
例えば、ＳＯＣ制御目標値以下のＳＯＣである電池モジュール１０２を選択すればよい。また、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２の中から所定の数だけＳＯＣが小さい順に電池モジュール１０２を選択するようにしてもよい。ただし、電池モジュール１０２の選択方法はこれらに限定されるものではなく、ＳＯＣのアンバランスを抑制するために効果的なものであればよい。
ステップＳ１４では、電源装置１００の電源出力が力行状態であるか回生状態であるかが判定される。制御コントローラ１０４は、電流センサ３２で検出された電流の向きから電源装置１００から負荷へ電力が供給されている力行状態か外部電源から電源装置１００へ電力が入力されている回生状態かを判定する。力行状態であればステップＳ１６に処理を移行させ、回生状態であれば処理を終了させる。
ステップＳ１６では、電池モジュール１０２の強制的な切り離し処理が行われる。制御コントローラ１０４は、ステップＳ１２にて選択された電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０に対して強制切断信号を出力する。強制切断信号を受信したゲート駆動信号処理回路２０は、自己のＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力し、ＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力する。これにより、選択された電池モジュール１０２は直列接続から強制的に切り離され、電源装置１００の出力に寄与しなくなる。
以上の制御によって、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２の中からＳＯＣが相対的に低い電池モジュール１０２は電力消費量（単位時間当たりの放電電流積算量）が少なくなり、ＳＯＣのアンバランスを解消することができる。その結果、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２のＳＯＣをＳＯＣ制御目標値に近づけることができる。また、各電池モジュール１０２の充電エネルギーを効率良く使い切ることが可能となる。
また、力行状態でなく、回生状態のときにＳＯＣのアンバランスを解消する制御を行うこともできる。この場合、ＳＯＣが相対的に高い電池モジュール１０２を強制的に切り離す制御を行い、ＳＯＣが相対的に低い電池モジュール１０２へ優先的に電力を回生させることでＳＯＣのアンバランスを解消させる。
図６は、ＳＯＣのバランス調整制御のフローチャートを示す。以下、図６を参照しつつ、回生時における電池モジュール１０２のＳＯＣのアンバランスを抑制する制御や電池モジュール故障時の切り離しについて説明する。
ステップＳ２０では、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２のＳＯＣを推定する。当該処理は、上記ステップＳ１０と同様に行うことができる。
ステップＳ２２では、各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、相対的にＳＯＣが高い電池モジュール１０２を選択する。制御コントローラ１０４は、ステップＳ２０にて推定された各電池モジュール１０２のＳＯＣを比較し、すべての電池モジュール１０２の中から相対的にＳＯＣが高い電池モジュール１０２を選択する。
例えば、ＳＯＣ制御目標値以上のＳＯＣである電池モジュール１０２を選択すればよい。また、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２の中から所定の数だけＳＯＣが高い順に電池モジュール１０２を選択すればよい。ただし、電池モジュール１０２の選択方法はこれらに限定されるものではなく、ＳＯＣのアンバランスを抑制するために効果的なものであればよい。
ステップＳ２４では、電源装置１００の電源出力が力行状態であるか回生状態であるかが判定される。制御コントローラ１０４は、電流センサ３２で検出された電流の向きから電源装置１００から負荷へ電力が供給されている力行状態か外部電源から電源装置１００へ電力が入力されている回生状態かを判定する。回生状態であればステップＳ２６に処理を移行させ、力行状態であれば処理を終了させる。
ステップＳ２６では、電池モジュール１０２の強制的な切り離し処理が行われる。制御コントローラ１０４は、ステップＳ２２にて選択された電池モジュール１０２のゲート駆動信号処理回路２０に対して強制切断信号を出力する。強制切断信号を受信したゲート駆動信号処理回路２０は、自己のＡＮＤ素子２２に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力し、ＯＲ素子２４に対してロー（Ｌ）レベルの制御信号を出力する。これにより、選択された電池モジュール１０２は直列接続から強制的に切り離され、電源装置１００への回生電力が供給されなくなる。
以上の制御によって、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２の中からＳＯＣが相対的に高い電池モジュール１０２への電力供給（単位時間当たりの充電電流積算量）が少なくなり、ＳＯＣのアンバランスを解消することができる。その結果、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２のＳＯＣをＳＯＣ制御目標値に近づけることができる。また、電源装置１００に含まれるすべての電池モジュール１０２に対してバランスよく充電することができる。さらに、充電容量の小さい電池モジュール１０２の過充電を防止することができる。
［ＳＯＣ推定処理］
以下、電源装置１００におけるＳＯＣ推定処理について説明する。図７は、本実施の形態におけるＳＯＣ推定処理のフローチャートを示す。
ステップＳ５０では、電源装置１００の出力電流Ｉｏｕｔを測定する。制御コントローラ１０４の電池動作監視回路１０４ｃは、電流センサ３２によって測定された電源装置１００の出力電流Ｉｏｕｔを取得する。
ステップＳ５２では、各電池モジュール１０２のモジュール電流Ｉｍｏｄを推定する処理を行う。電池動作監視回路１０４ｃは、現在直列接続されている電池モジュール１０２、すなわち現在出力に寄与している電池モジュール１０２の各々について電圧センサ３０から出力電圧（モジュール電圧）Ｖｍｏｄ［ｉ］を取得する。ここで、ｉは、ｉ番目の電池モジュール１０２を示す。制御コントローラ１０４のＳＯＣ制御値算出回路１０４ｂは、オンデューティＤに基づいて、現在出力に寄与している電池モジュール１０２の各々からの電流（モジュール電流）Ｉｍｏｄを算出する。
オンデューティＤは、数式（１）により算出することができる。そして、モジュール電流Ｉｍｏｄは、数式（２）により算出することができる。
Figure 0007328750000001
Figure 0007328750000002
なお、本実施の形態ではオンデューティＤを用いてモジュール電流Ｉｍｏｄを算出する処理を行ったが、各電池モジュール１０２に電流センサ３２を設けて、モジュール電流Ｉｍｏｄを直接測定する構成としてもよい。
ステップＳ５４では、各電池モジュール１０２のＳＯＣを算出する処理が行われる。制御コントローラ１０４は、ステップＳ５２で得られたモジュール電流Ｉｍｏｄに基づいて数式（３）を用いて各電池モジュール１０２のＳＯＣを算出する。ただし、Ｑ［ｉ］はｉ番目の電池モジュール１０２の電池満充電容量、ＳＯＣｉｎｉ［ｉ］は電流積算開始時点での初期ＳＯＣ（電源装置１００の起動時又はｉ番目の電池モジュール１０２を切り離した時の充放電電流が０の状態で測定された開放電圧を基に得られたＳＯＣｖ）である。
Figure 0007328750000003
なお、電池モジュール１０２の開放電圧とＳＯＣとの関係は、図１０に示すような１対１の関係となる。すなわち、ｉ番目の電池モジュール１０２の開放電圧を測定することで、当該開放電圧に基づいてＳＯＣｉｎｉ［ｉ］を求めることができる。
以下、電池モジュール１０２を切り離した時の開放電圧の測定方法について説明する。上記のように、通常制御時には、すべての電池モジュール１０２の強制切断信号をロー（Ｌ）レベルに設定するが、例えばオンデューティＤが低い状況（負荷に接続する電池モジュール１０２の数が少なくてもよく、常時切り離された電池モジュール１０２があったとしても要求する出力電圧を出力可能な状況）において、特定の電池モジュール１０２に対する強制切断信号をハイ（Ｈ）レベルとする。これにより、当該特定の電池モジュール１０２は負荷から切り離された状態となる。
特定の電池モジュール１０２が負荷から切り離されると、当該電池モジュール１０２のモジュール電流Ｉｍｏｄは０になる。したがって、制御コントローラ１０４は、当該電池モジュール１０２の電圧センサ３０から開放電圧を取得することが可能となる。これにより、制御コントローラ１０４は、図８の開放電圧とＳＯＣの関係に基づいて取得された開放電圧に対応するＳＯＣを求めることができる。
なお、開放電圧の測定は、電池モジュール１０２を負荷から切り離した後に端子電圧が安定する所定時間後に測定するか、又は従来技術のように充放電を停止した後の電圧挙動モデルを用いて電圧が安定する前の電圧から開放電圧を推定してもよい。
このように、負荷に対して電力を供給している状態においても電池モジュール１０２を負荷から切り離すことで開放電圧を測定することができる。したがって、測定された開放電圧を用いて特定の電池モジュール１０２のＳＯＣを求め、数式（３）のＳＯＣｉｎｉ［ｉ］を置き換えることができる。なお、このとき、数式（３）の電流積算についても０にリセットすることが好適である。
数式（３）を用いたモジュール電流の積算値に基づくＳＯＣの推定では、電流センサ３２の測定誤差の影響等により積算値において誤差が蓄積される傾向があるが、開放電圧に基づいて初期値であるＳＯＣｉｎｉ［ｉ］を適宜更新することによって誤差の影響を抑制でき、ＳＯＣの推定精度を向上させることができる。
［強制切断される電池モジュールの数の設定処理］
本実施の形態では、上記強制切り離し制御において電源装置１００の出力電圧を確保し、出力電力の制御が破綻しないように切り離される電池モジュール１０２の数を制限する。
電源装置１００の出力電圧値（出力目標電圧値）をＶｏｕｔ、電源装置１００に含まれる電池モジュール１０２の総数をＮｍｏｄ、電池モジュール１０２の平均出力電圧値（モジュール電圧値）をＶｍｏｄとすると、強制的に切り離しが可能な電池モジュール１０２の個数Ｎｐａｓｓとの関係は数式（４）で表される。
Figure 0007328750000004
 数式（４）を変形すると数式（５）が得られる。
Figure 0007328750000005
したがって、制御コントローラ１０４は、強制的に切り離しが可能な電池モジュール１０２の個数Ｎｐａｓｓが数式（５）を可能な限り満たすように電池モジュール１０２の切り離し制御を行う。
なお、数式（５）の条件を超えるような個数の電池モジュール１０２を強制的に切り離す必要がある場合、制御コントローラ１０４は電源装置１００をシャットダウンさせる。例えば、多数の電池モジュール１０２が同時に故障した場合や電源装置１００を構成する回路部品が故障した場合等において数式（５）の条件を満たすことができなくなった場合に電源装置１００をシャットダウンさせる。
１０ 電池、１２ チョークコイル、１４ コンデンサ、１６ 第１スイッチ素子、１８ 第２スイッチ素子、２０ ゲート駆動信号処理回路、２２ ＡＮＤ素子、２４ ＯＲ素子、２６ ＮＯＴ素子、３０ 電圧センサ、３２ 電流センサ、３４ 電圧センサ、１００ 電源装置、１０２ 電池モジュール、１０４ 制御コントローラ、１０４ａ 信号生成回路、１０４ｂ ＳＯＣ制御値算出回路、１０４ｃ 電池動作監視回路。

Claims (2)

  1. 二次電池を有する電池モジュールを複数含み、制御コントローラからのゲート駆動信号に応じて前記電池モジュールに含まれる前記二次電池が相互に直列接続される電源装置であって、
    前記ゲート駆動信号に関わらず前記電池モジュールを前記直列接続から強制的に切り離す切断手段を備え、
    出力目標電圧値Ｖｏｕｔに応じて、前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数Ｎｐａｓｓを、前記出力目標電圧値Ｖｏｕｔを出力可能である最大限の個数に限定することなく、前記電池モジュールの総数Ｎｍｏｄから前記出力目標電圧値Ｖｏｕｔ／前記電池モジュールの平均出力電圧値Ｖｍｏｄを減算した個数未満に制限することを特徴とする電源装置。
  2. 請求項１に記載の電源装置であって、
    前記切断手段によって強制的に切り離される前記電池モジュールの個数に応じて、前記出力目標電圧値以上の出力電圧を出力できない場合に出力を停止させることを特徴とする電源装置。
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